(57)【要約】【課題】長寿命のイオン除去装置が得られる燃料電池システムの水処理装置を提供する。【解決手段】イオン除去装置２１は、前流側の筒２６と後流側の筒２７で構成される。前流側の筒２６の内部空間には、その上下に多孔質板３０ａ、３０ｂが配置され、多孔質板３０ａ、３０ｂの間にはイオン交換樹脂３１ａが充填されている。一方、後流側の筒２７の内部空間にも、同様な構成でその上下に多孔質板３０ｃ、３０ｄが、その間にはイオン交換樹脂３１ｂが充填されている。多孔質板３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、穴（記載せず）が全面に渡って多数開いており、その１枚にほぼ全面に設けられている穴の総断面積は、水流入部２８および水流出部２９の水通過最小断面積の０．５〜６倍である。多孔質板に設けられている穴の総断面積が適度であるため、イオン水がイオン交換樹脂を均一に流れてその全部が有効に利用されて、長寿命のイオン除去装置２１が得られる。【選択図】図１
2005129381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン水を貯水する凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクから供給されるイオン水を脱イオンするイオン除去装置および水ポンプと、前記イオン除去装置から供給される脱イオン水を貯水する純水タンクと、前記純水タンクから供給される脱イオン水により水素を主成分とする改質ガスを生成する改質ガス供給部と、前記改質ガス供給部で生成する改質ガス中の水素により発電を行う燃料電池を、少なくとも有した燃料電池システムにおいて、前記イオン除去装置は、端部に水流入部および水流出部を有する筒と、前記筒の内部空間両端に配置される多孔質板の間に充填された粒状のイオン交換樹脂を少なくとも有した構造体であり、前記多孔質板の１枚にほぼ全面に設けられている多数の貫通穴の総断面積が、前記水流入部および水流出部の水通過最小部断面積に対して０．５〜６倍の比率であるとした燃料電池システムの水処理装置。
【請求項２】
複数個の筒を直列にＵ字状もしくは逆Ｕ字状に屈曲させながら配置した請求項１記載の燃料電池システムの水処理装置。
【請求項３】
偶数個の筒を直列にＵ字状もしくは逆Ｕ字状に屈曲させながら配置し、水流入部からイオン水を上部から下部へ流入させ、水流出部から脱イオン水を下部から上部へ流出させる請求項１記載の燃料電池システムの水処理装置。
【請求項４】
筒の合計高さと断面積の比率が、０．４〜７．５であるとした請求項１記載の燃料電池システムの水処理装置。
【請求項５】
凝縮水タンクで貯水されるイオン水は、燃料電池で使用されない改質ガス中水素を燃焼部に導いて燃焼させ、その燃焼排ガスを排ガス流路に配置した潜熱回収熱交換器で結露させた結露水が主成分であり、前記潜熱回収熱交換器での結露水は、その落下位置に配置したラシヒリングにより溶解の炭酸イオンが除去されている請求項１記載の燃料電池システムの水処理装置。
【請求項６】
ラシヒリングは、側面部に通気穴を有するリング体である請求項５記載の燃料電池システムの水処理装置。
【請求項７】
ラシヒリングに下部から上部への上昇空気を流入した請求項５記載の燃料電池システムの水処理装置。
【請求項８】
上昇空気は、燃料電池の空気極に供給される空気の残りである請求項７記載の燃料電池システムの水処理装置。
【請求項９】
上昇空気は、前記空気極の前流に配置された加湿器により増湿され、前記加湿器の後流に配置された凝縮熱交換器により水分を除去されてから上昇空気となっており、前記凝縮熱交換器により結露した水分は、凝縮水タンクに貯水される請求項７記載の燃料電池システムの水処理装置。
【請求項１０】
燃料電池で使用されない改質ガス中水素は、気液分離装置で水分を分離されて燃焼部に導かれる請求５記載の燃料電池システムの水処理装置。
【請求項１１】
気液分離装置で分離された水分を、凝縮水タンクで貯水する請求項１０記載の燃料電池システムの水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムで用いる純水を供給する水処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムは、水素を発生する水素発生装置や、発生する水素で発電を行う燃料電池などで構成される。（例えば、特許文献１参照）。図３（ａ）は、前記公報に記載された従来の燃料電池システムであり、水を供給する水供給部１と、炭化水素系原料を供給する原料供給部２と、水および炭化水素系原料から水素を主成分とする改質ガスを合成する改質部３と、改質部３から供給される水素ガスを用いて発電を行う燃料電池４と、燃料電池４で消費されずに残って未消費水素ガスを用いて燃焼させ前述の改質ガス合成反応を促進させるために改質部３を加熱するバーナ５とで構成される。
一方、燃料電池システムの水処理装置として、燃料電池冷却液の導電率管理装置に関するものがあり、その構成図を図 （ｂ）に記載する（例えば、特許文献２参照）。この水処理装置は、循環ポンプ６により燃料電池７と熱交換器８との間でタンク９に貯水した冷却液を循環させる循環流路１０と、この循環流路１０から取り出した冷却液を導電率低減装置１１（以下、脱イオン装置と記す）を通して循環流路１０に戻すバイパス流路１２と、循環流路１０からバイパス流路１２への冷却液バイパス割合を調整するバルブ１３とで構成される。そして、冷却液に配置した導電率センサ１４および温度センサ１５の信号に基づいて、バルブ１３により冷却液バイパス割合が制御装置１６により制御される。
【特許文献１】特開２００２−１６０９０２号公報（図１）
【特許文献２】特開２００２−２１６８１７号公報（第２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記従来の特許文献１記載の燃料電池システムは、燃料電池で発電を行うための水素を主成分とする改質ガスを生成する改質部に、供給する脱イオン水を得るための水処理装置に関する具体的記載がない。また、前記従来の特許文献２記載の水処理装置にも、水質の導電率を低減させる脱イオン装置の構造および材料が記載されていない。そのため、脱イオン水を、どの様な構造および材料を使用して得たらよいのかが不明であり、特許文献１と特許文献２の記載内容を組み合わせて、脱イオン材料であるイオン交換樹脂をただ単純に筒の内部に充填した脱イオン装置を使用しても、脱イオン水が短期間しか得られないため、脱イオン装置を頻繁に交換しなければならないという課題があった。
【０００４】
この課題発生は、改質部に供給するイオン水の流量が非常に少ないことに起因して発生しており、例えば、燃料電池で１ＫＷの発電を得るためには脱イオン水を２０ｍＬ／分の流量で供給するだけでよい。これだけの少ない流量のイオン水を、イオン交換樹脂をただ単純に筒の内部に充填した構造の脱イオン装置に流すと、水の片流れが起こって一部分のイオン交換樹脂しか利用されないため、残りの大部分のイオン交換樹脂は未使用状態となり、脱イオン水の供給寿命が短い課題が生じる訳である。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、寿命が長いイオン除去装置を提供できる燃料電池システムの水処理装置に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明は、イオン水を貯水する凝縮水タンクと、凝縮水タンクから供給されるイオン水を脱イオンするイオン除去装置および水ポンプと、イオン除去装置から供給される脱イオン水を貯水する純水タンクと、純水タンクから供給される脱イオン水により水素を主成分とする改質ガスを生成する改質ガス供給部と、改質ガス供給部で生成する改質ガス中の水素により発電を行う燃料電池を、少なくとも有した燃料電池システムにおいて、イオン除去装置は、端部に水流入部および水流出部を有する筒と、筒の内部空間両端に配置される多孔質板の間に充填された粒状のイオン交換樹脂を少なくとも有した構造体であり、多孔質板の１枚にほぼ全面に設けられている多数の貫通穴の総断面積が、水流入部および水流出部の水通過最小断面積に対して、０．５〜６倍の比率である水処理装置とした。
【０００７】
多孔質板の１枚に設けられている多数の貫通穴の総断面積が、水流入部および水流出部の水通過最小断面積に対して０．５〜６倍の比率であり、この総断面積の穴を有する多孔質板の間に、イオン交換樹脂を充填した筒でイオン除去装置を構成すると、イオン水がイオン交換樹脂を均一に流れてその全部が有効に利用される。このため、寿命が長いイオン除去装置を得ることができる。
【発明の効果】
【０００８】
以上のように、本発明の燃料電池システムの水処理装置は、水流入部および水流出部の水通過最小断面積に対して、０．５〜６倍の総断面積の穴を有する多孔質板の間に、イオン交換樹脂を充填した筒でイオン除去装置を構成したため、イオン水がイオン交換樹脂を均一に流れてその全部が有効に利用される。このため、寿命が長いイオン除去装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の発明は、イオン水を貯水する凝縮水タンクと、凝縮水タンクから供給されるイオン水を脱イオンするイオン除去装置および水ポンプと、イオン除去装置から供給される脱イオン水を貯水する純水タンクと、純水タンクから供給される脱イオン水により水素を主成分とする改質ガスを生成する改質ガス供給部と、改質ガス供給部で生成する改質ガス中の水素により発電を行う燃料電池を、少なくとも有した燃料電池システムにおいて、イオン除去装置は、端部に水流入部および水流出部を有する筒と、筒の内部空間両端に配置される多孔質板の間に充填された粒状のイオン交換樹脂を少なくとも有した構造体であり、多孔質板の１枚にほぼ全面に設けられている多数の貫通穴の総断面積が、水流入部および水流出部の水通過最小部断面積に対して０．５〜６倍の比率であるとしている。水流入部および水流出部の水通過最小断面積に対して、０．５〜６倍の総断面積の穴を有する多孔質板の間に、イオン交換樹脂を充填した筒でイオン除去装置を構成したため、イオン水がイオン交換樹脂を均一に流れてその全部が有効に利用される。このため、寿命が長いイオン除去装置を得ることができる。
【００１０】
第２の発明は、特に、請求項１に記載のイオン除去装置において、複数個の筒を直列にＵ字状もしくは逆Ｕ字状に屈曲させながら配置している。複数個の筒が直列にＵ字状に屈曲させながら配置されると、イオン水がイオン交換樹脂と均一に接蝕する回数が増えるとともに、接蝕する時間が長くなり、寿命が一層長いイオン除去装置を得ることができる。
【００１１】
第３の発明は、特に、請求項１に記載のイオン除去装置において、偶数個の筒を直列にＵ字状もしくは逆Ｕ字状に屈曲させながら配置し、水流入部からイオン水を上部から下部へ流入させ、水流出部へ脱イオン水を下部から上部へ流出させるとしている。水流入部と水流出部が上部に有るため、水流入に伴うイオン交換樹脂の浮遊とこれによるイオン交換済み品と未交換品の混合が減少して、水流入部から水流出部の方へ順々にイオン交換される使用形態となる。これに加えて、筒が直列に配置されているため、イオン水がイオン交換樹脂を均一に流れる機会が増えるとともに、接蝕する時間が長くなり、寿命がさらに一層長いイオン除去装置を得ることができる。
【００１２】
第４の発明は、特に、請求項１に記載のイオン除去装置において、筒の合計高さと断面積の比率が、０．４〜７．５であるとしている。筒の合計高さと断面積の比率が０．４〜７．５倍であると、筒の形状が適度であるため、イオン水がイオン交換樹脂を均一に流れてその全部が有効に利用され、圧力損失が小さく水処理量が大きいイオン除去装置が得られる。
【００１３】
第５の発明は、特に、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、凝縮水タンクで貯水されるイオン水は、燃料電池で使用されない改質ガス中水素を燃焼部に導いて燃焼させ、その燃焼排ガスを排ガス流路に配置した潜熱回収熱交換器で結露させた結露水が主成分であり、潜熱回収熱交換器での結露水は、その落下位置に配置したラシヒリングにより溶解炭酸イオンが除去されている。ラシヒリングによって溶解炭酸イオンを除去した燃焼排ガス結露水を採取して、凝縮水タンクに滞留させると、得られる水は、イオン混入量が小さくなり、イオン除去装置が一層長寿命となる。また、燃料電池で使用されない改質ガス中水素は、燃焼部で燃焼するため、水素に関する安全性が向上する。
【００１４】
第６の発明は、特に、請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、ラシヒリングは、側面部に通気穴を有するリング体としている。ラシヒリングは、側面部に通気穴を有するリング体を使用すると、反応面積が増加するとともに、通水抵抗および通風抵抗が減少して、焼排ガス結露水に混合されている溶解炭酸イオンが一層効果的に除去される。そのため、得られる水は、イオン混合量がさらに一層小さくなり、イオン除去装置２１がさらに一層長寿命となる。
【００１５】
第７の発明は、特に、請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、ラシヒリングに下部から上部への上昇空気を流入している。上昇空気により、燃焼排ガス結露水に混合されている溶解炭酸イオンは、ラシヒリングによって一層効果的に除去される。そのため、得られる水は、イオン混合量がさらに一層小さくなり、イオン除去装置がさらに一層長寿命となる。
【００１６】
第８の発明は、特に、請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、上昇空気は、燃料電池の空気極に供給される空気の残りとしている。燃料電池の空気極に供給される空気の残りを使用すると、大風量の空気を簡単に供給することができ、燃焼排ガス結露水に混合されている溶解炭酸イオンが一層効果的に除去される。そのため、得られる水は、イオン混合量がさらに一層小さくなり、イオン除去装置がさらに一層長寿命となる。また、燃料電池の空気極に供給される空気は、空気極で生成する水分を含んでいるため、ラシヒリングによってこの水分が回収され、燃焼排ガス結露水と一緒に凝縮水タンクに採取される利点も有る。
【００１７】
第９の発明は、特に、請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、上昇空気は、空気極の前流に配置された加湿器により増湿され、加湿器の後流に配置された凝縮熱交換器により水分を除去されてから上昇空気となっており、凝縮熱交換器により結露した水分は、凝縮水タンクに貯水される。得られる水は、イオン混合量が小さいため、イオン除去装置がさらに一層長寿命となるとともに、水の自給率が向上して、万が一に流入する高イオンの水道水量が減少し、その分だけイオン除去装置２１がさらに長寿命となる。
【００１８】
第１０の発明は、特に、請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池で使用されない改質ガス中水素は、気液分離装置で水分を分離されて燃焼部に導かれる。気液分離装置で水分を分離した改質ガス中水素を、燃焼部に導き燃焼させることで、焼排ガス結露水に混合されている溶解炭酸イオンが一層減少する利点が生じる。そのため、得られる水は、イオン混合量がさらに一層小さくなり、イオン除去装置がさらに一層長寿命となる。
【００１９】
第１１の発明は、特に、請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、気液分離装置で分離された水分を、凝縮水タンクで貯水する。得られる水は、イオン混合量が小さいためイオン除去装置がさらに一層長寿命となるとともに、水の自給率が向上して、万が一に流入する高イオンの水道水量が減少し、その分だけイオン除去装置がさらに長寿命となる。
【００２０】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態の構成を示している。燃料電池システムは、イオン水を貯水する凝縮水タンク２０と、凝縮水タンク２０から供給されるイオン水を脱イオンするイオン除去装置２１および水ポンプ２２と、イオン除去装置２１から供給される脱イオン水を貯水する純水タンク２３と、純水タンク２３から供給される脱イオン水により水素を主成分とする改質ガスを生成する改質ガス供給部２４と、改質ガス供給部２４で生成する改質ガス中の水素により発電を行う燃料電池２５とを少なくとも有した構成であるとした。
【００２２】
イオン除去装置２１は、前流側の筒２６と後流側の筒２７で構成され、前流側の筒２６の上部には水流入部２８が、後流側の筒２７の上部には水流出部２９が少なくとも配置され、筒２６，２７がその下部において流通した構成である。前流側の筒２６の内部空間には、その上下に多孔質板３０ａ、３０ｂが配置され、多孔質板３０ａ、３０ｂの間にはイオン交換樹脂３１ａが充填されている。一方、後流側の筒２７の内部空間にも、その上下に多孔質板３０ｃ、３０ｄが配置され、多孔質板３０ｃ、３０ｄの間にはイオン交換樹脂３１ｂが充填されている。多孔質板３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、穴（記載せず）が全面に渡って多数開いており、その１枚にほぼ全面に設けられている穴の総断面積（Ｓ１）は、水流入部２８および水流出部２９の水通過最小断面積（Ｓ２）の０．５〜６倍である。なお、イオン交換樹脂３１ａ、３１ｂの充填層の上下には、その粒子径より僅かに小さ目の穴を全面に有したポリプロピレン製通気板（記載せず）が配置されている。このポリプロピレン製通気板は、多孔質板３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄに設けられている穴と比較して、通気穴の穴径とその数が圧倒的に大きいので、圧力損失が非常に小さくしかも水流れをコントロールすることがほとんどない材料であり、筒２６、２７からイオン交換樹脂３１ａ、３１ｂが流出しない役割をなしている。
【００２３】
イオン除去装置２１における水の流れについて説明する。水流入部２８から前流側の筒２６に流入したイオン水は、多孔質板３０ａの穴を通過し、イオン交換樹脂３１ａと接触してイオン交換をされて脱イオン水となり、多孔質板３０ｂの穴を通過する。そして、前流側の筒２６の下部から後流側の筒２７の下部へと移動する。後流側の筒２７の下部から流入した水は、さらに、多孔質板３０ｄの穴を通過してイオン交換樹脂３１ｂと接蝕し、
多孔質板３０ｃの穴を通過したのちに水流出部２９から外に流出する。
【００２４】
図１記載のイオン除去装置２１の試作を行った。前流側の筒２６と後流側の筒２７は、各々が内径５７ｍｍで高さ４３６ｍｍのステンレス製の筒である。水流入部２８および水流出部２９は、前述寸法の筒にかん合して取り付けられた蓋と、この蓋の中央部に垂直に取り付けられた内径４．３５ｍｍのパイプとから構成されるステンレス製の構造体である。そして、内径４．３５ｍｍパイプより水の流入もしくは流出が行われ、その水通過最小部断面積は１５ｍｍ２である。多孔質板３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、径０．６ｍｍの穴を全面に渡って多数開けたステンレス板（径５７ｍｍで厚み１ｍｍ）であり、その数を変化させることで、水流入部２８および水流出部２９の水通過最小部断面積との比率を変化させている。イオン交換樹脂３１ａ、３１ｂは、水中の陽イオンと陰イオンをイオン交換する材料であり、前流側の筒２６に１リットル、後流側の筒２７に１リットル充填されて、その量は合計で２リットルである。イオン交換樹脂３１ａ、３１ｂは、粒の大きさが約０．２ｍｍ前後であったため、その充填層の上下に、径０．１ｍｍの穴を開穴率５割で開けたポリプロピレン製通気板（径５７ｍｍで厚み２ｍｍ）を配置して、その流出を防止している。前流側の筒２６の下部から後流側の筒２７の下部へと、水が移動する部分は、最小部空間が５×５０ｍｍであり、ここの部分で圧力損失が発生しない様にした。この構造とすることで、同一形状に作製された多孔質板３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄにおいてその１枚に設けられている穴の総断面積（Ｓ１）と、同一形状に作製された水流入部２８および水流出部２９における水通過最小断面積（Ｓ２）の比率（Ｓ１／Ｓ２）が、圧力損失および水処理可能量を大きく変化する様になっている。そこで、この両者の断面積の比率を変化させて、圧力損失および水処理可能量がどの様に変化するかの検討を行った。
【００２５】
図２は、このイオン除去装置２１の効果特性図である。この効果特性において横軸は、同一形状に作製された多孔質板３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄにおいて、その１枚に設けられている穴の総断面積（Ｓ１）と、同一形状に作製された水流入部２８と水流出部２９における水通過最小部断面積（Ｓ２）との比率（Ｓ１／Ｓ２）である。縦軸は、イオン除去装置２１の圧力損失および水処理可能量である。圧力損失は、２０ｍＬ／分の水を流した際の圧力差を測定した値である。水処理可能量は、１００μＳ／ｃｍのイオン水（水道水を使用）を水流入部２８から２０ｍＬ／分で流入した際に、水流出部２９から１μＳ以下／ｃｍの水が何リットル流出したかを測定した値である。この水処理可能量を超えると、１μＳ以上／ｃｍの水が流出して、その間に充填した２リットルのイオン交換樹脂３１ａ、３１ｂが寿命となっていることを意味する。
【００２６】
図２より、比率（Ｓ１／Ｓ２）が０．５未満の場合は、多孔質板に設けられている穴の総断面積が小さいため、圧力損失が大きくなることがわかる。一方、比率（Ｓ１／Ｓ２）が６を超えると、多孔質板に設けられている穴の総断面積が大き過ぎるため、水の片流れが起こって一部分のイオン交換樹脂しか利用されず、残りの大部分のイオン交換樹脂は未使用状態となって、水処理可能量が小さくなり脱イオン水の供給寿命が短いことがわかる。これに対して、この比率（Ｓ１／Ｓ２）が０．５〜６倍の時に、圧力損失が小さく水処理量が大きいイオン除去装置２１が得られることがわかる。これは、多孔質板に設けられている穴の総断面積が適度であるため、イオン水がイオン交換樹脂を均一に流れてその全部が有効に利用されるためである。また、この結果より、多孔質板３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの各々１枚に設けられている穴の総断面積（Ｓ１）および、水流入部２８や水流出部２９における水通過最小部断面積（Ｓ２）は、この比率（Ｓ１／Ｓ２）が０．５〜６倍の範囲において、その各々値を任意に調整することが可能である。
【００２７】
なお、イオン除去装置２１は、その周囲にヒータを巻き、外気温度が氷点下になる時などに通電して凍結に強くしている。凍結対策は、周囲にヒータを設ける事をせずに、イオン除去装置２１の下部に開閉自在の水抜き穴（記載せず）を設け、外気温度が氷点下になる時などに水抜して凍結に強くすることも可能である。また、上部にも開閉自在の水流入穴（記載せず）を設け、水抜きした際の水補充穴として活用することも可能である。
【００２８】
また、イオン除去装置２１は、前流側の筒２６だけとして、水流入部２８を筒２６の下部に設け、水流出部２９を筒２６の上部に設けて、エアがみに強い構成としても良い。この構成の場合、下部位置の水流入部２８から筒２６に流入したイオン水は、多孔質板３０ａの穴を通過し、イオン交換樹脂３１ａと接触してイオン交換をされて脱イオン水となり、多孔質板３０ｂの穴を通過し、上部位置の水流出部２９から流出する水流れになる。
【００２９】
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態を、図１に基づいて説明する。図１に記載した様に、イオン除去装置２１は、前流側の筒２６と後流側の筒２７が、直列にＵ字状に屈曲させながら配置されている。２個の筒が直列にＵ字状に屈曲させながら配置されると、イオン水がイオン交換樹脂と均一に接蝕する回数が増えるとともに、接蝕する時間が長くなり、寿命が一層長いイオン除去装置２１を得ることができる。なお例えば、筒を３個にすると、Ｕ字状と逆Ｕ字状という水流れとなり、イオン水がイオン交換樹脂と均一に接蝕する回数がさらに増え、接蝕する時間もさらに長くなって、寿命がさらに一層長いイオン除去装置２１を得ることができる。
【００３０】
（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態を、図１に基づいて説明する。図１に記載した様に、イオン除去装置２１は、前流側の筒２６と後流側の筒２７という偶数個の筒が、直列にＵ字状に屈曲させながら配置されており、水流入部２８からイオン水を上部から下部へ流入させ、水流出部２９へ脱イオン水を下部から上部へ流出させる流れとなっている。水流入部２８と水流出部２９が上部に有るため、水流入に伴うイオン交換樹脂の浮遊とこれによるイオン交換済み品と未交換品の混合が減少して、水流入部２８から水流出部２９の方へ順々にイオン交換される使用形態となる。これに加えて、筒が直列に配置されているため、イオン水がイオン交換樹脂を均一に流れる機会が増えるとともに、接蝕する時間が長くなり、寿命がさらに一層長いイオン除去装置を得ることができる。
【００３１】
（実施の形態４）
本発明の第４の実施の形態を、図３に基づいて説明する。図３は、このイオン除去装置２１の効果特性図である。横軸は、イオン除去装置２１における、筒の合計高さと断面積の比率である。縦軸は、この形状のイオン除去装置２１の圧力損失および水処理可能量である。
【００３２】
実験に用いたイオン除去装置２１は、筒２６を１本だけ使用してここにイオン交換樹脂３１ａを２リットル充填し、水流入部２８を筒２６の下部位置に設け、水流出部２９を筒２６の上部位置に設けた構成で行った。この構成の場合、下部位置に配置した水流入部２８から筒２６に流入したイオン水は、下から上への流れとなって流れ、多孔質板３０ａの穴を通過し、イオン交換樹脂３１ａと接触してイオン交換をされて脱イオン水となり、多孔質板３０ｂの穴を通過し、上部位置の水流出部２９から流出する水流れになる。Ｕ字状に屈曲する水流れが無いので、エアがみに強い構成となる利点が有る。
【００３３】
図３（ａ)は、多孔質板３０ａおよび３０ｂにおいてその１枚に設けられている穴の総断面積（Ｓ１）と、同一形状に作製された水流入部２８と水流出部２９における水通過最小部断面積（Ｓ２）と、の比率（Ｓ１／Ｓ２）を０．５とした場合の効果特性である。図３（ｂ）は、同比率（Ｓ１／Ｓ２）を２．０とした場合の効果特性である。図３（ｃ）は、同比率（Ｓ１／Ｓ２）を６．０とした場合の効果特性である。
【００３４】
イオン交換樹脂３１ａは、筒２６の内部に２リットル充填されており、筒の高さと筒の断面積の比率を変化させたイオン除去装置２１をそれぞれ試作して行った。筒の高さ（Ｈ）と断面積（Ｓ）の比率（Ｈ／Ｓ）は、筒の形状を表現する指標であり、比率（Ｈ／Ｓ）値が小さいことは筒が横長形状となることを意味し、比率（Ｈ／Ｓ）が大きいことは筒が縦長形状となることを意味する。圧力損失や水処理可能量は、前述の第１実施例と同じ方法で測定している。圧力損失は、２０ｍＬ／分の水を流した際の圧力差を測定した値である。水処理可能量は、１００μＳ／ｃｍのイオン水（水道水を使用）を水流入部２８から２０ｍＬ／分で流入した際に、水流出部２９から１μＳ以下／ｃｍの水が何リットル流出したかを測定した値である。この水処理可能量を超えると、１μＳ以上／ｃｍの水が流出して、その間に充填した２リットルのイオン交換樹脂３１ａが寿命となっていることを意味する。
【００３５】
図３より、筒の高さと断面積の比率（Ｈ／Ｓ）が０．４未満の場合は、筒が横長形状となるため、水の片流れが起こって一部分のイオン交換樹脂しか利用されず、残りの大部分のイオン交換樹脂は未使用状態となって、水処理可能量が小さくなり脱イオン水の供給寿命が短いことがわかる。一方、筒の高さと断面積の比率（Ｈ／Ｓ）が７．５を超えると、筒が縦長形状となるため、圧力損失が大きくなることがわかる。これに対して、この比率（Ｈ／Ｓ）が０．４〜７．５倍の時に、圧力損失が小さく水処理量が大きいイオン除去装置２１が得られることがわかる。これは、筒の形状が適度であるため、イオン水がイオン交換樹脂を均一に流れてその全部が有効に利用されるためである。
【００３６】
筒の高さと断面積の比率（Ｈ／Ｓ）が０．４〜７．５倍の時に、圧力損失が小さく水処理量が大きいイオン除去装置２１が得られることは、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に記載した様に、多孔質板３０ａおよび３０ｂの１枚に設けられている穴の総断面積と、同一形状に作製された水流入部２８と水流出部２９における水通過最小部断面積との比率を０．５〜６．０倍としても、成立することがわかる。
【００３７】
なお、イオン交換樹脂３１ａ、３１ｂを、前流側の筒２６が１リットルで後流側の筒２７が１リットルとしてその量を合計で２リットル充填し、筒の合計高さと断面積の比率（Ｈ／Ｓ）を変化させたイオン除去装置２１でも、同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００３８】
（実施の形態５）
本発明の第５の実施の形態を図４で説明する。燃料電池２５で使用されずに残存する改質ガス中水素は、燃焼部３２に導きここで燃焼させ、燃焼排ガスを排ガス流路３３に配置した潜熱回収熱交換器３４において結露させられる。潜熱回収熱交換器３４で結露した燃焼排ガス結露水は、その落下位置に配置したラシヒリング３５により、溶解炭酸イオンが除去されて、凝縮水タンク２０に貯水される。
【００３９】
構成と材料について具体的に説明する。凝縮水タンク２０や純水タンク２３は、ステンレスや樹脂内に水を貯水した水槽である。イオン除去装置２１は、ステンレスや樹脂の容器内に、イオン交換樹脂３１ａ、３１ｂなどを充填して、水中の陽陰イオンを捕捉除去して純水化する装置である。改質ガス供給部２４は、アルミナ担体にルテニウムを担持した触媒をステンレス容器に充填した装置であり、都市ガス（メタンが主成分）と水を約６５０℃で化学反応させて、８割の水素と２割の二酸化炭素を生成する様にしている。純水タンク２３から供給される純水は、この化学反応を進行させる役割を果す。なお、改質ガス供給部２４にはこの他にさらに、アルミナ担体に白金を担持した触媒を後流側に配置して、化学反応で微量発生する一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する様にしている。
【００４０】
燃料電池２５は、フッ化炭素の主鎖にスルホン基の側鎖を付着させた高分子系水素イン伝導性電解質膜（記載せず）に、カーボンブラックに触媒の白金粒子を担持した構成の燃料極および空気極（いずれも記載せず）をその両側に備えた電池の集合体である。改質ガス供給部２４から燃料極へ供給させる水素と、送風機（記載せず）から空気極へ供給させる空気中の酸素により、電気化学反応が起こり発電する。燃料電池２５は、材料・構成の電池を多数積層した集合体であり、水素や酸素のガスが良好に流れて各電極に到達し易くしたガス流路（記載せず）と、発電により発生した熱を搬送し放熱するための水流路（記載せず）が、その内部に配置されている。この水流路は、純水タンク２３の後流に配置された冷却水タンク３６からの水循環流路３７と流通しており、水循環流路３７に配置した冷却熱交換器３８により、燃料電池２５で発生した熱が水で搬送されて、冷却熱交換器３８で放熱される様にしている。このことで、燃料電池２５が適正温度の約７０℃で動作する様にしている。
【００４１】
燃焼部３２は、システムの運転初期は都市ガスの燃焼が起こるが、安定運転になると、燃料電池２５で使用されずに残存する改質ガス中水素が導かれて、水素の燃焼が起こる構成である。燃焼部３２は上部方向に向って燃焼しており、発生する燃焼排ガスも最初は上部方向に向って流れるが、途中から逆Ｕ字状の流れとなって下部方向に向って流れる。燃焼排ガスは、その後、排ガス流路３３に配置した潜熱回収熱交換器３４において結露させられ、その結露イオン水をその落下位置に配置したラシヒリング３５により溶解炭酸イオンを除去して凝縮水タンク２０で貯水する構成としている。ラシヒリング３５は、上下に金網を配置した容器内に、ステンレス製のリングや塊を多数配置した物であり、リングや塊の隙間を結露イオン水が落下しながら通過することで、溶解炭酸イオンを除去されるようになっている。また、燃焼部３２は、改質ガス供給部２４を加熱して、その内部に充填した触媒を約６５０℃に加熱する構成となっている。
【００４２】
次に、運転動作について説明する。まず、運転開始のスイッチが入ると、燃焼部３２に、ガス供給管（記載せず）からの都市ガスと、ブロア（記載せず）からの空気が供給され、燃焼が始まる。そして、燃焼排ガスは、排ガス流路３３に配置した潜熱回収熱交換器３４において結露させられ、その結露イオン水が凝縮水タンク２０に貯水される。また、燃焼部３２は、改質ガス供給部２４を加熱して、その内部に充填した触媒を約６５０℃に加熱する。一方、冷却水タンク３６に貯水された水は、その水槽内に配置した加熱ヒータ（記載せず）により約７０℃まで昇温され、この昇温水は水循環流路３７を経由して燃料電池２５を約７０℃まで昇温させる役割を果す。改質ガス供給部２４の触媒が約６５０℃まで加熱されるとともに、燃料電池２５が約７０℃まで昇温されると、運転動作は第２段階の動作を行う。まず、改質ガス供給部２４は、純水タンク２３からの脱イオン水と、ガス供給管（記載せず）からの都市ガスの供給を受け、水素を主成分とする改質ガスを生成する。燃料電池２５は、生成した水素の供給を受け、空気中の酸素との電気化学反応により発電を行う。一方、冷却水タンク３６に貯水された水は、その水槽内部に配置した加熱ヒータ（記載せず）の通電停止と、水循環流路３７に配置した冷却熱交換器３８による燃料電池２５の発電熱の放熱により、燃料電池２５が適正温度の約７０℃を保持して動作する様にしている。さらに、燃料電池２５で使用されずに残存する改質ガス中水素は、燃焼部３２に導かれて、水素の燃焼が起こる。
【００４３】
水の流れについて説明する。凝縮水タンク２０は、燃焼部３２の排ガス流路３３に配置した潜熱回収熱交換器３４における結露イオン水から、その落下位置に配置したラシヒリング３５により溶解炭酸イオンを除去したイオン水を貯水している。イオン除去装置２１および水ポンプ２２は、凝縮水タンク２０に貯水しているイオン水を脱イオンし、脱イオン水を純水タンク２３に貯水する。純水タンク２３に貯水された脱イオン水は、その大部分は改質ガス供給部２４に供給されるが、その一部は、溢れて冷却水タンク３６に供給される。
【００４４】
凝縮水タンク２０に滞留するイオン水の性状について説明する。得られるイオン水は、導電率が１０μＳ／ｃｍで、溶解炭酸イオンが１ｍｇ／Ｌの水である。この１０μＳ／ｃｍのイオン水は、前述の実施形態１の１００μＳ／ｃｍの水道水と比較して、イオン量が１０分の１倍である。そのため、実際のイオン水を流した場合は、図２記載の水処理可能量に対して１０倍の水処理可能量になった。この様に、ラシヒリング３５によって溶解炭酸イオンを除去した燃焼排ガス結露水を採取して、凝縮水タンク２０に滞留させると、得られる水は、イオン混入量が小さくなり、イオン除去装置２１が一層長寿命となる。また、燃料電池２５で使用されない改質ガス中水素は、燃焼部で燃焼するため、水素に関する安全性が向上する。
【００４５】
（実施の形態６）
本発明の第６の実施の形態は、ラシヒリング３５の形状についてである。ラシヒリング３５は、側面部に通気穴を有するリング体を使用すると、反応面積が増加するとともに、通水抵抗および通風抵抗が減少して、焼排ガス結露水に混合されている溶解炭酸イオンが一層効果的に除去される。そのため、得られる水は、イオン混合量がさらに一層小さくなり、イオン除去装置２１がさらに一層長寿命となる。
【００４６】
（実施の形態７）
本発明の第７の実施の形態は、ラシヒリング３５に流す空気流れについてであり、図４に記載した様に、下部から上部への上昇空気が流入する様にしている。この上昇空気により、燃焼排ガス結露水に混合されている溶解炭酸イオンは、ラシヒリング３５によって一層効果的に除去される。そのため、得られる水は、イオン混合量がさらに一層小さくなり、イオン除去装置２１がさらに一層長寿命となる。なお、下部から上部への上昇空気は、ラシヒリング３５と接蝕した後、ほぼ垂直に折れ曲がって水平方法の流れを形成している。一方、排ガス流路３３によって途中から逆Ｕ字状の流れとなって下部方向に向って流れる燃焼排ガスは、潜熱回収熱交換器３４と接蝕した後、ほぼ垂直に折れ曲がって水平方法の流れを形成している。
【００４７】
（実施の形態８）
本発明の第８の実施の形態は、上昇空気の供給源についてである。上昇空気の供給源として、燃料電池２５の空気極３９に供給される空気の残りを使用すると、大風量の空気を簡単に供給することができ、焼排ガス結露水に混合されている溶解炭酸イオンが一層効果的に除去される。そのため、得られる水は、イオン混合量がさらに一層小さくなり、イオン除去装置２１がさらに一層長寿命となる。また、燃料電池２５の空気極３９に供給される空気は、空気極３９で生成する水分を含んでいるため、ラシヒリング３５によってこの水分が回収され、燃焼排ガス結露水と一緒に凝縮水タンク２０に採取される利点も有る。
【００４８】
（実施の形態９）
本発明の第９の実施の形態は、凝縮水タンク２０に貯水されるイオン水のさらなる供給方法であり、図４でその構成を説明する。燃料電池２５の空気極３９に供給される空気は、燃料電池２５の耐久信頼向上のために、その前流に配置された加湿器４０により増湿される。
【００４９】
なお、加湿器４０によって増湿される水分は、冷却水タンク３６からの水循環流路３７から供給されている。そして、空気極３９を加湿して残って空気は、加湿器４０の後流に配置された凝縮熱交換器４１により水分が除去され、その結露水を、凝縮水タンク２０に貯水している。得られる水は、イオン混合量が小さいため、イオン除去装置２１がさらに一層長寿命となるとともに、水の自給率が向上して、万が一に流入する高イオンの水道水量が減少し、その分だけイオン除去装置２１がさらに長寿命となる。
【００５０】
（実施の形態１０）
本発明の第１０の実施の形態は、燃料電池で使用されない改質ガス中水素を燃焼部に導く方法についてであり、図４で説明する。改質ガス中水素は、気液分離装置４２で余剰に供給された水分を分離されて、燃焼部３２に導かれる。実施の形態５の水処理装置において、気液分離装置４２で水分を分離した改質ガス中水素を、燃焼部３２に導き燃焼させることで、溶解炭酸イオンが一層減少した綺麗なイオン水が得られる。そのため、得られる水は、イオン混合量がさらに一層小さくなり、イオン除去装置２１がさらに一層長寿命となる。また特に、ラシヒリング３５による溶解炭酸イオン除去は、気液分離装置４２で水分を分離した改質ガス中水素を、燃焼部３２に導き燃焼させることで、一層効果的に行われている。
【００５１】
（実施の形態１１）
本発明の第１１の実施の形態は、凝縮水タンク２０に貯水されるイオン水のさらなる供給方法についてであり、図４において、気液分離装置４２で分離された水分を、凝縮水タンク２０で貯水している。そのため、得られる水は、イオン混合量が小さいためイオン除去装置２１がさらに一層長寿命となるとともに、水の自給率が向上して、万が一に流入する高イオンの水道水量が減少し、その分だけイオン除去装置２１がさらに長寿命となる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の燃料電池システムの水処理装置は、定置式や移動式の燃料電池システムに用いる水処理装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施形態１〜３における燃料電池システムの水処理装置の構成図
【図２】同装置における効果特性図
【図３】（ａ）本発明の実施形態４における効果特性図（Ｓ１／Ｓ２＝０．５）（ｂ）本発明の実施形態４における効果特性図（Ｓ１／Ｓ２＝２．０）（ｃ）本発明の実施形態４における効果特性図（Ｓ１／Ｓ２＝６．０）
【図４】本発明の実施形態５〜１１における燃料電池システムの水処理装置の構成図
【図５】（ａ）従来の燃料電池システムの構成図（ｂ）従来の燃料電池システムの水処理装置の構成図
【符号の説明】
【００５４】
２０  凝縮水タンク
２１  イオン除去装置
２２  水ポンプ
２３  純水タンク
２４  改質ガス供給部
２５  燃料電池
２６、２７  筒
２８  水流入部
２９  水流出部
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３１ｄ  多孔質板
３１ａ、３１ｂ  イオン交換樹脂
３２  燃焼部
３３  排ガス流路
３４  潜熱回収熱交換器
３５  ラシヒリング
３９  空気極
４０  加湿器
４１  凝縮熱交換器
４２  気液分離装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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